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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungsstück, eine Mehrachsbearbeitungsmaschine
mit einem Verbindungsstück
und ein Elastizitäts-Steuerungs-Verfahren nach den
Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Verbindungsstücke werden
verwendet, um im Falle von Kollisionen zwischen dem Werkzeug der Maschine
und anderen Maschinenteilen oder dem Werkstück Elastizität im System
zu haben, so dass Beschädigungen
aufgrund starrer Komponenten vermieden werden. „Elastizität" in diesem Zusammenhang bedeutet nicht
notwendigerweise eine lineare Elastizität ähnlich einer Federkonstante.
Vielmehr soll damit allgemein eine Nachgiebigkeit unter definierten
Bedingungen angesprochen sein.
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Ein
bekanntes Verbindungsstück
weist ein maschinenseitiges Auflager, einen werkzeugseitigen Halter
und eine Spannvorrichtung auf, die den Halter elastisch in eine
definierte Position gegen das Auflager drückt. Die Spannvorrichtung weist
mehrere Druck- oder Zugfedern auf, die in ihrer Spannung eingestellt
werden können,
indem manuell die Federvorspannungen eingestellt werden.
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Nachteilig
an den bekannten Verbindunsstücken
ist es, dass die durch sie gegebene Systemelastizität nur umständlich bzw.
im Betrieb praktisch nicht geändert
werden kann. So können
bspw. Werkzeugköpfe
unterschiedlich schwer sein, so dass sie auch bei gleicher Beschleunigung
unterschiedliche Trägheitskräfte zeigen.
Dies macht auch unterschiedliche Spannkräfte notwendig, was nur durch manuellen
Eingriff erreicht werden kann. Auch kann es wünschenswert sein, die Spannkräfte in Abhängigkeit
vom Arbeitsmodus einzustellen. So können beispielsweise beim Programmieren
einer Maschine Kollisionen wahrscheinlicher als beim anschließenden Betrieb
auftreten, so dass beim Programmieren eine geringere Systemsteifigkeit
als beim anschließenden
Arbeiten wünschenswert
sein kann. Ebenso kann es wünschenswert
sein, die Steifigkeit in Abhängigkeit
von der Verstellgeschwindigkeit oder der Beschleunigung eines Arbeitskopfs
bzw. Werkzeugs einzustellen. Auch die Lage des Werkzeugs kann unterschiedliche
Momente und Kräfte
und dementsprechend unterschiedliche Bedingungen im Hinblick auf das
Ansprechen des Verbindungsstückes
bewirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verbindungsstück, eine Mehrachsbearbeitungsmaschine mit
einem Verbindungsstück
und ein Elastizitäts-Steuerungs-Verfahren anzugeben,
die eine schnelle und automatisierte Anpassung der Elastizität im Verbindungsstück erlauben.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gerichtet.
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Ein
Verbindungsstück
für ein
Werkzeug einer Mehrachsbearbeitungsmaschine hat ein maschinenseitiges
Auflager, einen werkzeugseitigen Halter (12) und eine Drückvorrichtung
(10), die den Halter elastisch in eine definierte Position
gegen das Auflager drückt.
Die Drückvorrichtung
ist in ihrer Drückkraft während des
Maschinenbetriebs veränderlich.
Die Drückvorrichtung
kann eine pneumatisch und/oder hydraulische und/oder federelastische
und/oder elektromagnetische Einrichtung aufweisen. Vorzugsweise
ist sie pneumatisch ausgebildet.
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Die
Drückvorrichtung
kann zusätzlich
zu einer herkömmlichen
Spannvorrichtung vorgesehen sein, die den Halter mit einer voreingestellten
Kraft elastisch in die definierte Position gegen das Auflager drückt.
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Nachfolgend
werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, es zeigen:
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1 den
Schnitt durch und eine schematische Draufsicht auf ein Verbindungsstück, und
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2 eine
Mehrachsbearbeitungsmaschine mit einem Verbindungsstück.
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In
den Figuren bedeuten allgemein gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten.
Merkmale sollen auch dann miteinander kombinierbar sein betrachtet
werden, wenn dies nicht ausdrücklich
gesagt ist, soweit sich eine Kombination der Merkmale nicht aus
technischen Gründen
ausschließt.
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In
den Figuren bedeuten 1 ein Verbindungsstück, 2 eine
Werkzeugmaschine, 3 ein Werkzeug, etwa einen Laserkopf, 4 ein
Werkstücktisch, 5 einen Maschinenrahmen, 6, 7 und 8 Aktoren
zur translatorischen und rotatorischen relativen Verstellung von Werkstück und Werkzeugkopf
gegeneinander, 9 das Werkstück, 10 eine Drückvorrichtung, 11 ein
maschinenseitiges Auflager, 12 einen werkzeugseitigen Halter, 13 eine
Spannvorrichtung, 14 eine Laserstrahldurchführung, 15 eine
Positioniereinrichtung, 16 einen Kraftübertragungsbereich, 18 einen
Ausrücksensor
und 19 eine Achse.
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1 zeigt
oben schematisch geschnitten eine Seitenansicht des Verbindungsstücks 1 und
unten schematisch eine Draufsicht auf die Anordnung relevanter Komponenten.
Das maschinenseitige Auflager 11 kann eine maschinenseitige
Platte 11c haben, die an maschinenseitigen (rahmenseitigen) Komponenten
der Maschine, etwa einem Gestänge oder
einem Aktor 7, befestigt werden kann. Gegenüber der
Auflagerplatte 11c kann ein Auflagerbereich 11a liegen,
der als Platte mit einem mittigen Loch 11d darin ausgebildet
sein kann. Über
Verbindungsbereiche 11b können die Komponenten 11a und 11c miteinander
verbunden sein. Das maschinenseitige Auflager 11 kann (abgesehen
von der Öffnung 11d)
als geschlossenes Gehäuse
ausgebildet sein. Ein werkzeugseitiger Halter 12 kann eine
Halterplatte 12a und ein damit verbundenes Verbindungsrohr 12b aufweisen.
Das Verbindungsrohr 12b kann die Öffnung 11d des Auflagerbereichs 11a durchdringen.
Die Halterplatte 12a kann größer ausgebildet sein als die Öffnung 11d.
Am freien Ende des Rohrs 12b können werkzeugkopfseitige Komponenten
befestigt sein, etwa ein oder mehrere Aktoren 8.
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Auflager 11 und
Halter 12 sind nicht fest, sondern elastisch miteinander
verbunden. Eine Positionierungseinrichtung 15 kann dafür sorgen,
dass bei Druck in eine Richtung (beispielsweise in 1 nach
unten) das maschinenseitige Auflager 11 und der werkzeugseitige
Halter 12 in eine definierte Position zueinander gelangen.
Die Positioniereinrichtungen 15 können mehrfach vorgesehen sein
und können
bereichsweise formschlüssige
Einzelteile haben, beispielsweise einen konvexen halterseitigen
Abschnitt 15a und einen dementsprechend konkaven auflagerseitigen
Abschnitt 15b. Zwei solcher Positioniereinrichtungen 15 können vorgesehen
sein. Eine dritte Positioniereinrichtung kann vorgesehen sein, um
eine Dreipunktauflage sicherzustellen. Die Positioniereinrichtungen 15 können um
die Öffnung 11d herum
verteilt sein, beispielweise regelmäßig alle 120°.
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10 bezeichnet
eine Drückvorrichtung,
die den Halter 12 elastisch in eine definierte Position
gegen das Auflager 11 drückt. Die Drückvorrichtung ist in ihrer
Druckkraft während
des Maschinenbetriebs veränderlich.
Sie ist automatisch veränderlich,
ohne dass hierzu manueller Eingriff einer Bedienperson erforderlich
wäre. Die
Veränderung
kann vergleichsweise schnell erfolgen, beispielsweise in einem Zeitraum
von weniger als einer Sekunde, vorzugsweise weniger als 0,5 Sekunden.
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Die
Drückvorrichtung 10 kann
eine pneumatische Drückvorrichtung
sein und/oder eine hydraulische und/oder eine federelastische und/oder
eine elektromagnetische Drückvorrichtung.
Vorzugsweise handelt es sich um eine pneumatische Einrichtung, etwa
einen pneumatisch betriebenen Zylinder, der unter Gasdruck den Halter 12 gegen
das Auflager 11 drückt.
Durch Einstellen des Gasdrucks kann die Druckkraft automatisch eingestellt
werden. Durch die Kompresssibilität des Gases ist die Elastizität der Drückvorrichtung 10 und
damit des Verbindungsstücks 1 gewährleistet.
Es kann aber auch eine elektromagnetische Einrichtung vorgesehen
sein, die mittels eines Elektromagneten eine Druckkraft in gewünschter
Weise erzeugt. Auch Elektromagneten sind nicht starr, so dass bei
Kollisionen gegebenenfalls die elektromagnetisch erzeugte Kraft überwunden
werden kann, so dass Systemelastizität gegeben ist.
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Die
Verbindung zwischen Drückvorrichtung 10 und
werkzeugseitigem Halter 12 und/oder maschinenseitigem Auflager 11 muss
nicht fest/starr sein, sondern kann auch lediglich in eine Richtung kraftschlüssig sein.
Auch hier können
in gewisser Weise formschlüssige
Kraftübertragungsbereiche 16a,
b ähnlich
den Komponenten 15 vorgesehen sein.
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Im
Betrieb drückt
die Drückvorrichtung 10 den
Halter 12 gegen das Auflager 11 in die definierte Position.
Dann hat auch das Werkzeug, das mittelbar oder unmittelbar am Halter 12 befestigt
ist, die von der Steuerung angenommene Position. Die Druckkraft
ist so einstellbar, dass die betriebsüblichen Kräfte (Trägheitskräfte, Reaktionskräfte, Gewichtskraft, Momentenkräfte, ...)
aufgefangen werden können und
insbesondere nicht zu einem Ausrücken
des Halters 12 aus der definierten Position gegenüber dem Auflager 11 führen. Allerdings
ist die Druckkraft der Drückvorrichtung 10 einstellbar.
Sie kann so eingestellt werden, dass die jeweils ausgeübte Druckkraft eine
definierte und eventuell in etwa konstante Kraftreserve vor dem
Ausrücken
des Halters aus der definierten Position erzeugt. Wie in der 1 gezeigt, kann
die Drückvorrichtung 10 zwischen
der Auflagerplatte 11c und der Halterplatte 12a in
der Weise drückend
wirken, dass die Halterplatte logisch betrachtet weg vom Maschinenrahmen
hin zum Werkzeug und auf den Auflagerbereich 11a zu gedrückt werden.
Ein Ausrücken
aus der definierten Position, etwa bei Kollision, erfolgt dann logisch
betrachtet durch Bewegung der Halterplatte 12a auf den
Maschinenrahmen zu.
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Zusätzlich zur
Drückvorrichtung 10 können eine
oder mehrere herkömmliche
Spannvorrichtungen 13 vorgesehen sein. Es kann sich hier
beispielsweise um Druckfedern handeln, die funktional wie die Drückvorrichtung 10 den
Halter in eine definierte Position gegenüber dem Auflager drücken. Diese
herkömmlichen
Spannvorrichtungen sind allerdings nicht während des Betriebs bzw. automatisch
ohne manuellen Eingriff in ihrer Kraft einstellbar. Sie können jedoch
insgesamt so eingestellt werden, dass sie eine Mindestdruckkraft
erzeugen, die in jedem Fall gewünscht
ist. Die Drückvorrichtung 10 kann
darüber hinaus
einen variablen Anteil erzeugen, der in Abhängigkeit von bestimmten Parametern
erzeugt wird.
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Das
Werkzeug kann ein Laserkopf sein. Dementsprechend kann das Verbindungsstück 1 eine
Laserstrahldurchführung 14 aufweisen.
Es kann sich hier letztlich um fluchtende Öffnungen 14c, 14d und/oder
um Rohrstücke 14a, 14b handeln,
die den Durchlauf eines Laserstrahls durch das Verbindungsstück 1 gestatten,
insbesondere durch Teile des Auflagers 11 und/oder des
Haltes 12. Ein Lichtwellenleiter kann, muss aber nicht
vorgesehen sein.
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Die
schematische Draufsicht in 1 unten zeigt
die Anordnung der einzelnen Komponenten in einer bestimmten Ausführungsform.
Der äußere Kreis 11e bezeichnet
die äußere Begrenzung
des Auflagerbereichs 11a. 11f ist der Rand der Öffnung 11d. 12c ist
der äußere Rand
der Platte 12a. Die Positioniereinrichtungen 15 können sich
zwischen Rand 12c der Platte 12a und Rand 11f des
Lochs 11d befinden. Es können drei von ihnen vorzugsweise
regelmäßig über den
Kreisumfang beabstandet vorgesehen sein. Sie können, müssen aber nicht identisch aufgebaut
sein. Sie können
so aufgebaut sein, dass sie zu einer definierten Lage führen, wenn
die Druckkraft in ausreichender Höhe ausgeübt wird, ohne dabei zu Überbestimmungen
in der Positionsdefinition zu führen.
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Die
herkömmlichen
Spannvorrichtungen 13 können
auch mehrfach vorgesehen sein. Es können beispielsweise drei von
ihnen ausgebildet sein, die ebenfalls regelmäßig über den Kreisumfang verteilt sein
können.
Die Drückvorrichtung 10 kann
mittig und einfach vorgesehen sein. 14 bezeichnet schematisch die
Durchführung
für den
Laserstrahl. Sie kann in eine Öffnung
des Rohrs 12b führen.
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Anders
als gezeigt kann auch die Drückvorrichtung 10 aus
mehreren einzelnen Drückeinrichtungen
bestehen, beispielsweise aus mehreren hydraulischen oder pneumatischen
oder elektromagnetischen Einheiten, die auch regelmäßig verteilt
sein können.
Die konventionelle Spannvorrichtung 13 kann anders als
gezeigt auch nur einfach vorgesehen sein und gegebenenfalls auch
symmetrisch mittig bezüglich
der Achse 19 angeordnet sein.
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Andersherum
als schematisch gezeigt können
der werkzeugseitige Halter 12 als mehr oder minder geschlossenes
Gehäuse
und das maschinenseitige Auflager 11 als eine aus dem Gehäuse herausragende
Komponente ausgebildet sein. Auch können sowohl Auflager 11 als
auch Halter 12 als vergleichsweise offene Strukturen ausgebildet
sein.
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2 zeigt
schematisch eine Mehrachsbearbeitungsmaschine 2. Sie erlaubt
die relative Verstellung von Werkzeug 3 und Werkstück 9 die
gegeneinander längs
mehrerer bzw. um mehrere Achsen verstellbar sind. Insbesondere können drei translatorische
und zwei rotatorische Achsen vorgesehen sein.
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Die
Verstellbarkeit kann durch Aktoren 6 bewirkt werden, die
sich zwischen Werkstücktisch 4 und Maschinenrahmen 5 befinden
und/oder durch Aktoren 7 zwischen Maschinenrahmen 5 und
Verbindungsstück 1 und/oder
durch Aktoren 8 zwischen Verbindungsstück 1 und Werkzeug 3.
Die Gestaltung kann insbesondere so sein, dass ein oder zwei rotatorische
Aktoren zwischen Verbindungsstück 1 und Werkzeug 3 vorgesehen
sind, während
die übrigen Aktoren
auf der anderen Seite des Verbindungsstücks 1 vorgesehen sind.
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Es
ist eine Steuerung 20 vorgesehen, die die verschiedensten
Maschinenfunktionen steuert, und dabei insbesondere auch die Drückvorrichtung 10 in ihrer
Drückkraft.
Es kann sich um eine pneumatische Steuerung handeln, die den Gasdruck
in einem Gaszylinder steuert, oder es kann sich um eine Elektromagnetsteuerung
handeln, die den Stromfluss durch einen Elektromagneten steuert.
Die Steuerung 20 kann verschiedene Sensorsignale empfangen.
Sie kann die Drückvorrichtung
nach Maßgabe
von Sensorsignalen und/oder nach Maßgabe von intern bekannten
Parametern (beispielsweise Lage des Werkstücks, Lage des Werkzeugs, Geschwindigkeit
oder Beschleunigung des Werkzeugs durch die Aktoren, Arbeitsmodus)
steuern. Auf diese Weise kann die Steuerung 20 die Druckkraft
im Verbindungsstück 1 schnell
und in Abhängigkeit
von den jeweils betrachteten und gewünschten Parametern einstellen.
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Im
Verbindungsstück 1 können ein
oder mehrere Ausrücksensoren 18 vorgesehen
sein, die das Ausrücken
von Halter und Auflager aus der definierten Relativposition zueinander
erfassen. Es können
mehrere, z. B. drei Ausrücksensoren 18a–c vorzugsweise
regelmäßig über den
Umfang der Halterplatte verteilt vorgesehen sein. Sie können ein
qualitatives oder auch quantitatives Maß über die Größe der Ausrückung erzeugen. Sie können bspw.
kapazitiv aufgebaut sein und über
die Änderung
des Abstandes zweier als Kapazität
dienender Platten eine elektrisch auswertbare Größe erzeugen. Die Steuerung
kann dann beispielsweise die Druckkraft der Drückvorrichtung 10 auch
nach Maßgabe
dieser Ausrücksensoren 18 steuern,
etwa insbesondere so, dass die Druckkraft minimal (Null) wird, wenn
ein Ausrücken
erfasst wird. Es kann auch ein Maschinen-Not-Aus nach Maßgabe der
Signale von den Ausrücksensoren
erzeugt werden. Der Ausrücksensor 18 kann
im Verbindungsstück 1 vorgesehen
sein. Er kann aber auch als Kollisionsdetektor ausgebildet sein,
der an einer geeigneten Stelle der Maschine 5 vorgesehen
ist.
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Das
Verbindungsstück 1 weist
die (nicht gezeigten) erforderlichen Anschlüsse auf, insbesondere, je nach
Bedarf, Anschlüsse
für elektrische
Signale oder elektrische Leistung, Pneumatik, Hydraulik oder Ähnliches.
Die Maschine kann, je nach Drückvorrichtung 10,
geeignete Pneumatikquellen oder Hydraulikquellen (Pumpen) aufweisen.
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Die
Druckkraft der Drückvorrichtung 10 im Verbindungsstück 1 kann
Teil der Programmierung sein und dann fest vorgegeben sein. Sie
kann aber andererseits auch jeweils ad hoc aus den jeweils zu betrachtenden
Parametern (Werkzeuggewicht, Werkzeuglage, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Betriebsphase,
Betriebsmodus, ...) berechnet werden. Für die Berechnung können geeignete
Algorithmen vorgegeben sein oder eingegeben werden, anhand derer
dann die jeweilige Druckkraft berechnet wird. Neben statischen Erwägungen können hier auch
dynamische Effekte berücksichtigt
werden. Die Arbeitsweise kann auch so sein, dass bei der Programmierung
die jeweiligen Druckkräfte
algorithmisch berechnet und dann als Teil des Programms abgelegt
werden.